bmp图像文件格式超详解

0 BMP简介

BMP(Bitmap-File)图形文件，又叫位图文件，是Windows采用的图形文件格式，在Windows环境下运行的所有图像处理软件都支持BMP图像文件格式。Windows系统内部各图像绘制操作都是以BMP为基础的。一个BMP文件由四部分组成：

BMP文件的数据按照从文件头开始的先后顺序分为四个部分：

• 文件头(bmp file header)：提供文件的格式、大小等信息

• 信息头(bitmap information)：提供图像数据的尺寸、位平面数、压缩方式、颜色索引等信息

• 调色板(color palette)：可选，如使用索引来表示图像，调色板就是索引与其对应的颜色的映射表

• 位图数据(bitmap data)：图像的像素值可以是RGB值，也可以是调色板的索引值。如果使用了调色板，那像素值就是调色板的索引值，可以根据像素值得到调色板索引值，然后根据调色板索引值找到相应的颜色，该颜色即为像素的颜色，如果用RGB值表示位图数据，那位图就没有调色板。通常8位深及8位深以下的图像会用到调色板，8位深以上的就不用调色板了，因为8位深以上的图像再使用调色板内存开销就会很大，直接使用RGB值存储，更节省内存。 以16位深图像为例，共有2^16=65536种颜色，如果使用调色板，调色板的大小就是262144字节，然后每个像素用16位表示，假设是一个100像素 * 100像素的图像，那么图像大小就是（100 * 16 +31）/324100=20000字节，而如果使用RGB值来存储，低5位表示蓝色，中间5位表示绿色，高5位表示红色，最高1位保留位，即每像素用2字节来表示，图像的大小就是（100 * 16 +31）/324100=20000字节，节省了调色板高达262144字节的空间！图像大小计算方式参考bmp图像大小计算方式

一个BMP文件可以用如下代码表示：

typedef struct tagBITMAP_FILE{
 
      BITMAPFILEHEADER bitmapheader;//文件头
      BITMAPINFOHEADER bitmapinfoheader;//信息头
      PALETTEENTRY palette[256];//调色板（可选）
      UCHAR *buffer;   //UCHAR 大小1字节(同C语言的unchar)，指向图像数据信息
 
} BITMAP_FILE;

图像文件的底层全都是二进制形式，存储和读取都是以字节位单位的，所以图像数据要么是char* 存储，要么是unchar* 存储，为什么图像数据要用unchar*表示？

如果是char* 存储，那文件的每一个字节都是一个char，最高位是符号位无法表示图像像素信息，这肯定是不行的，比如1bit图像，文件中的某一个字节为00110011，最高位0本应该是表示白色，现在表示符号位就无法表示图像信息了，所以用unchar* 更为合适。且使用unchar* 文件中的每一个字节都是一个unchar，一个unchar的取值对应8位深图像的颜色索引，一个unchar的取值范围在0~255之间刚好对应8位深图像调色板0 ~ 255的颜色索引。

1 文件头

typedef struct tagBITMAPFILEHEADER { // bmfh 
    WORD    bfType; //占2字节
    DWORD   bfSize; //占4字节
    WORD    bfReserved1; //占2字节
    WORD    bfReserved2; //占2字节
    DWORD   bfOffBits; //占4字节
} BITMAPFILEHEADER;

以1张1bit灰度图像为例来介绍文件头、信息头、调色板和图像数据：
1：0x424D->bfType: BM
2：0x0004a8e2->bfSize: 305378B(278KB)

打开文件属性，可以看到文件大小计算无误

3：0x00000000->bfReserved1和bfReserved2：共4字节的保留字节，全设为0
4：0x0000003e->bfOffBits: 偏移量大小为62字节（14字节的文件头+40字节的信息头+8字节的调色板）

2 信息头

typedef struct tagBITMAPINFOHEADER{ // bmih 
    DWORD  biSize; 
    LONG   biWidth; //4字节
    LONG   biHeight; 
    WORD   biPlanes; 
    WORD   biBitCount 
    DWORD  biCompression; 
    DWORD  biSizeImage; 
    LONG   biXPelsPerMeter; 
    LONG   biYPelsPerMeter; 
    DWORD  biClrUsed; 
    DWORD  biClrImportant; 
} BITMAPINFOHEADER; 

1：0x00000028->biSize=40字节
2：0x0000040f->biWidth=1039像素
3：0x00000909->biHeight=2313像素
4：0x0001->biPlanes=1
5：0x000a->biBitCount=1

通过图片检测计算无误

6：0x00000000->biCompression=0(没有压缩)
7：0x0004a8a4->biSizeImage=305316字节
我们可以通过LineBytes = (width * bitCount + 31) / 32 * 4计算来验证biSizeImage的大小是否正确，关于LineBytes = (width * bitCount + 31) / 32 * 4的原理可参考bmp图像大小计算方式
每行字节数为：（1039 * 1+31）/32 * 4=132B
图像大小为132 * 2313 = 305316B
由上述计算方式可知biSizeImage的大小正确
8：0x00000000->biXPelsPerMeter=0
9：0x00000000->biYPelsPerMeter=0
10：0x00000000->biCirUsed = 0
11：0x00000000->biClrImportant=0

注意biSize、bfSize、biSizeImage三者的区别：
biSize是信息头的大小，通常占40字节，bfSize是整个图像文件的大小，包括文件头+信息头+调色板（可选）+图像大小，biSizeImage是整个图像的大小。我们之前算的biSizeImage=305316，bfSize = 305378 = 文件头（14）+信息头（40）+调色板（8）+biSizeImage（305316）。

3 调色板

首先让我们举例说明什么是调色板？为什么需要调色板？

我们前面说过像素值可以是RGB值也可以是调色板索引号，现在有一个长宽各为200个像素，颜色数为16色的彩色图，每一个像素都用R、G、B三个分量表示。因为每个分量有256个级别，要用8位（bit），即一个字节（byte）来表示，所以每个像素需要用3个字节。整个图象要用200×200×3，约120k字节，可不是一个小数目呀！如果我们用调色板就能减少很多空间。

因为是一个16色图，也就是说这幅图中最多只有16种颜色，所以该我们可以用一个表：表中的每一行记录一种颜色的R、G、B值。这样当我们表示一个像素的颜色时，只需要指出该颜色是在第几行，即该颜色在表中的索引值。举个例子，如果表的第0行为255，0，0（红色），那么当某个像素为红色时，只需要用标明0即可，而无需用长达3字节的RGB值。

让我们再来计算一下：16种状态可以用4位（bit）表示，所以一个像素要用半个字节。整个图像要用200×200×0.5，约20k字节，再加上表占用的字节为3×16=48字节.整个占用的字节数约为前面的1/6，就节省了很多空间！这张记录了R、G、B的表，就是我们常说的调色板（Palette）。

可以使用C++预定义的结构体来定义调色板

typedef struct tagRGBQUAD {
        BYTE    rgbBlue;
        BYTE    rgbGreen;
        BYTE    rgbRed;
        BYTE    rgbReserved;
} RGBQUAD;

具体定义方式如下：

//定义一个1bit图像的调色板
//1bit图像只有2种颜色
RGBQUAD colors1[2];//定义调色板

//实现调色板
//每个分量占8位，所以1个颜色占4字节
colors1[0].rgbBlue = 0;      // 黑色
colors1[0].rgbGreen = 0;
colors1[0].rgbRed = 0;
colors1[0].rgbReserved = 0;

colors1[1].rgbBlue = 255;    // 白色
colors1[1].rgbGreen = 255;
colors1[1].rgbRed = 255;
colors1[1].rgbReserved = 0;

上面测试的图像为1bit图像，其中文件头占14字节，信息头占40字节，而文件头到实际数据之间的偏移量却为62字节，是因为文件头和信息头后面还有8字节的调色板。

那么为什么24位真彩色BMP不带调色板呢？

因为我们这张BMP是24位真彩色的BMP，所谓真彩色图（true color），就是它的颜色数高达256×256×256种，也就是说包含我们上述提到的R、G、B颜色表示方法中所有的颜色。真彩色图并不是说一幅图包含了所有的颜色，而是说它具有显示所有颜色的能力，即最多可以包含所有的颜色。表示真彩色图时，每个像素直接用R、G、B三个分量字节表示，而不采用调色板技术。原因很明显：如果用调色板，和直接用RGB值一样，每个像素都是用3字节表示，不但没有任何便宜，还要加上一个256×256×256×4个字节的大调色板。所以真彩色图直接用R、G、B三个分量表示更节省空间，它又叫做24位色图。

这么看来BMP文件不能一概而论了，其是否用调色板或者是RGB掩码，位图数据中的数据的真正含义直接与biBitCount 有关，不同类型的位图，其中的设计原理也不同，下面对此作一个对比：

上面基本把调色板及相关取色策略梳理清楚了，接着回到我们之前1位深图像的例子。

该图像是1bit图像，所以肯定是调色板图像，每个像素值占1位，表示调色板索引号，蓝色方框的8字节就是调色板信息，后面的信息就是图像数据信息了，比如0xFF，对应的二进制就是11111111，表示这8个像素每个像素都是调色板中索引号为1的颜色。

由于位图信息头中的图像高度是正数，所以位图数据在文件中的排列顺序是从左下角到右上角，以行为主序排列的。